ATOME ET SPECTRE ÉLECTROMAGNÉTIQUE Décrire la structure de la matière Décrire le rôle des interactions Décrire la nature et le comportement de la lumière Décrire l’interaction entre la lumière et la matière Structure de l’atome Toute la matière est: Solide Liquide Gaz À toutes les échelles: Galaxie Planète cellule Structure de l’atome … et composée des mêmes particules élémentaires: Électron Proton Neutron Électron Proton Neutron 9.109 x 10-28 g 1.673 x 10-24 g 1.675 x 10-24 g charge négative charge positive aucune charge Structure de l’atome Particules de base : Quarks Leptons Hadrons Etc Molécules: combinaisons d’atomes nouvelles propriétés physiques & chimiques Atome de Bohr normalement np = n e neutre Structure de base d’un atome 1. NOYAU : 2. ÉLECTRONS : 3. protons & neutrons Rn = 10-15 m orbitales Ratome = 10-10 m Mp/Me- = 1840 Structure de base d’un atome R(noyau) / R(atome) = 10-5 Densité (noyau) / densité (atome) = 1015 volume de l’atome est surtout du vide densité nucléaire = 1015 x densité de la matière ordinaire Terre (densité atomique) 200 m diamètre Tableau périodique des éléments Tableau périodique des éléments Il existe 92 sortes différentes d’atome dans la nature 92 éléments naturels : noyaux stables (> 109 ans) + des éléments fabriqués en labo : (vie = qques jours) Les neutrons assurent la stabilité du noyau Tableau périodique des éléments Nombre de neutrons (vs protons) varie d’un élément à l’autre On peut même avoir 2 noyaux du même élément avec un nombre différent de neutrons (isotopes) ex.: Uranium (141 -> 148 neutrons) Particules fondamentales Particules fondamentales de l’atome : protons, neutrons & électrons À partir des années 40, on a construit des accélérateurs permettant de briser ces particules fondamentales en particules encore plus fondamentales Particules fondamentales PROCESSUS : à l’aide de champs magnétiques et électriques, on accélère et focalise des faisceaux de particules à des énergies de plus en plus grandes pour ensuite sortir le faisceau de l’accélérateur et lui faire frapper une cible Particules fondamentales Résultat : désintégrations des protons, neutrons & électrons en particules plus fondamentales 2 familles: Leptons – poids plumes (neutrino, muon …) Hadrons – poids lourds (protons, mésons …) Forces fondamentales (interactions) de l’Univers L’Univers est un laboratoire où les conditions physiques atteignent des valeurs extrêmes Ex.: meilleur vide en labo sur Terre est 1012x plus dense que le milieu intergalactique * à neutrons 1013x plus dense que le matériau le plus dense sur Terre Forces fondamentales (interactions) de l’Univers Températures extrêmes: 106 K -> Soleil 2.7 K -> rayonnement cosmique Dans toutes ces conditions extrêmes, les mêmes lois de la physique s’appliquent (certaines forces étant plus importantes dans certaines conditions que dans d’autres) Forces fondamentales (interactions) de l’Univers 1. 2. 3. Force gravitationnelle Force électromagnétique Forces nucléaires Interaction gravitationnelle Force de gravitation : force attractive dont l’intensité décroît comme le carré de la distance Interaction gravitationnelle Distance 2x 3x 4x 5x 10x 40x Force ¼ 1/9 1/16 1/25 1/100 1/1600 Objet Jupiter (~5 UA) Saturne (~10 UA) Pluton (~40 UA) Interaction gravitationnelle 1. Étoiles : équilibre entre 2. Galaxies spirales: équilibre entre 3. Force gravitationnelle & Pression de radiation Force gravitationnelle & Rotation Univers: expansion ou contraction force gravitationnelle Interaction électromagnétique Force électromagnétique: force attractive ou répulsive (dépendant des charges électriques) qui varie comme le carré de la distance Interaction électromagnétique Force électromagnétique gouverne le mouvement des e- autour du noyau Assure la cohésion des liens entre les atomes à l’intérieur des: Molécules Cristaux Cellules Force électromagnétique lumière (visible, radio, RX…) Interaction nucléaire Force nucléaire forte : assure la stabilité du noyau atomique Force nucléaire faible : régit la désintégration radioactive Forces fondamentales Force Intensité Gravitation 1 Nucléaire faible 1026 Électromagnétique 7x1036 Nucléaire forte 1039 Domaine d’action longue portée dimension du noyau longue portée dimension du noyau Théorie d’unification des forces -> en développement Ex.: force de répulsion électrique entre 2 e- / d = 5m. Force gravitationnelle entre Terre & 1eEx.: Arracher 1 e- à l’attraction du noyau 10 000 x plus d’énergie Arracher 1 e- à l’attraction grav. De la terre Spectre électromagnétique Une onde électromagnétique est caractérisée par 2 quantités: l : longueur d’onde n : fréquence Spectre électromagnétique Spectre électromagnétique l . n = c où c = vitesse de la lumière matière atomes particules chargés électriquement mouvement des charges (accélération) radiation d’une onde électromagnétique Niveaux d’énergie Électrons dans l’atome sont sur des niveaux (orbites) Si e- passe d’un niveau supérieur à un niveau inférieur émission d’énergie E Si e- passe d’un niveau inférieur à un niveau supérieur absorption d’énergie E Niveaux d’énergie Niveaux d’énergie E associée à l et n de l’onde électromagnétique E : énergie H : constante de Planck C: vitesse de la lumière Niveaux d’énergie Plus l grand, plus E petit p.e. atome d’hydrogène -> saut niveau 2 -> 1 E2,1 = 10,19 eV -> émission d’un photon La l = 121,6 nm (UV) -> saut niveau 3 -> 2 E3,2 = 1 eV -> émission d’un photon Ha l = 656,3 nm (R) Spectre électromagnétique Spectre électromagnétique Spectre électromagnétique Spectre électromagnétique